季凍區(qū)水位變化對(duì)土體力學(xué)場(chǎng)的影響研究

蔣 佳 莉

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

0 引言

地表土層的干濕狀態(tài)常常受到水分變化的影響，使土體處于飽和與非飽和狀態(tài)中。冬季土體凍結(jié)，春夏土體融化，季節(jié)更替導(dǎo)致土中氣水分布發(fā)生變化；冬季地下水回落、地表水凍結(jié)與春暖回灌，地下水位上升，干濕狀態(tài)交替導(dǎo)致土體應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生變化；同時(shí)全球變暖和一些極端惡劣氣候現(xiàn)象，使得土體干濕循環(huán)強(qiáng)度增強(qiáng)，對(duì)土體內(nèi)部顆粒的排列方式、孔隙結(jié)構(gòu)以及含水率產(chǎn)生影響，從而引發(fā)土體表層土的力學(xué)性質(zhì)，持水特性，滲透特性的改變[1,2]，也會(huì)對(duì)土體應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布產(chǎn)生較大改變。這些造成路基工程、渠道襯砌、地基工程發(fā)生凍脹、融沉、不均勻沉降等破壞，給地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)諸多不利。因此，研究季凍區(qū)水分變化對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的影響意義重大。

1 宏觀水分變化對(duì)土體應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)影響研究

水分變化主要表現(xiàn)在地下水位的升降和地表水變化。冬季嚴(yán)寒初期，水位變化影響不大；凍結(jié)發(fā)展期使得凍結(jié)層水分增加，上部含水量減少，而下層由于向凍結(jié)鋒面移動(dòng)，含水量減少，總體表現(xiàn)為地下水位下降；春暖融凍時(shí)期，土體從底部和表層兩個(gè)方向解凍，在壓力勢(shì)作用下向上返漿，表層水分增大，土體強(qiáng)度下降，在重力勢(shì)作用下下滲，導(dǎo)致同期地下水位上升[3]。地表水分因季節(jié)氣候因素在季凍區(qū)常呈現(xiàn)春夏降水多，秋冬降水少，冬季常以降雪形式作為水分補(bǔ)充。

宏觀水分變化對(duì)實(shí)際工程產(chǎn)生的破壞有：任振華[4]通過(guò)研究水分變化對(duì)邊坡工程穩(wěn)定性影響，認(rèn)為水位的驟降引起非穩(wěn)定滲流，產(chǎn)生不利于邊坡穩(wěn)定的孔隙水壓力，非穩(wěn)定滲流越強(qiáng)烈，對(duì)邊坡土體的危害越大。在渠道襯砌中，由于渠基土體水分增加，導(dǎo)致土體凍結(jié)膨脹破壞。在路基工程中，水分的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起土體水熱狀況的變化，由此引發(fā)的應(yīng)力重分布是凍害融沉的主要因素，冬季土成冰膨脹，路基扭曲或折斷，夏季或人為干擾，已凍結(jié)土?xí)诨?，土體固結(jié)下沉，引發(fā)不均勻變形，塌落。陳卡拉等[5]通過(guò)研究水位升降環(huán)境下的湖區(qū)軟基對(duì)其樁基礎(chǔ)工作性能發(fā)現(xiàn)樁側(cè)孔隙水壓力的變化導(dǎo)致近樁區(qū)沉降遠(yuǎn)大于其他位置處。

水分變化對(duì)土體力學(xué)性能產(chǎn)生的影響有：李國(guó)玉等[6]指出土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度以及構(gòu)筑物的強(qiáng)度會(huì)因此受到顯著影響，改變土體的物理力學(xué)性質(zhì),如：干密度、含水率、孔隙比、結(jié)構(gòu)性、顆粒連接方式、滲透性等。倪萬(wàn)魁等[7]認(rèn)為凍融循環(huán)微觀過(guò)程中使得黃土顆粒之間的原有固結(jié)逐漸減弱，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角增大，黏聚力下降，最終使得黃土抗剪強(qiáng)度與重塑黃土強(qiáng)度接近。在對(duì)黃土的相關(guān)試驗(yàn)中表明[8-16]，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，凍融循環(huán)對(duì)黃土強(qiáng)度具有弱化作用，相應(yīng)的干密度、黏聚力、強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)都降低，而內(nèi)摩擦角影響不大或雖有增長(zhǎng)但幅度不大。張芳枝等[17]通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：干濕循環(huán)使壓實(shí)黃土強(qiáng)度降低，滲透系數(shù)增加，內(nèi)摩擦角減小。孔令坤[18]在恒溫狀態(tài)下對(duì)土體進(jìn)行了封閉水分遷移試驗(yàn)，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)黏土、粉土、細(xì)砂水分變化過(guò)程，分析了土性及初始含水量對(duì)水分遷移的影響。

我國(guó)在水分對(duì)于應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的影響研究上涉及土體強(qiáng)度，變形以及數(shù)值模擬應(yīng)用。Kay等[19]通過(guò)對(duì)多次干濕循環(huán)后土體抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度明顯降低。馬巍等[20]對(duì)不同圍壓下土體的三剪抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍土強(qiáng)度隨著圍壓增大而增大。毛雪松[21]通過(guò)試驗(yàn)得出在凍脹范圍一定情況下，水分遷移的大小決定著變形場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)中最大變形及最大應(yīng)力值的大小，而對(duì)極值點(diǎn)的位置影響不大。劉雄等[22]對(duì)渠道凍結(jié)過(guò)程中的水分場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)，位移場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，建立了凍土本構(gòu)模型。Takashi等[23]通過(guò)對(duì)土體滲透率和圍壓對(duì)凍脹的影響分析，建立了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＿@為耦合模型的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)，使得水熱力場(chǎng)耦合模型得到了很快發(fā)展。

2 微觀水分變化對(duì)土體應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)影響研究

水分遷移的影響主要表現(xiàn)在隨著溫度的升降，土體凍結(jié)或融化，冬季溫度降低，土體凍結(jié)成冰，體積發(fā)生膨脹，春夏溫度升高，已凍結(jié)土體融化，土體排水固結(jié)，會(huì)發(fā)生不均勻變形，塌落等。

對(duì)于水分遷移的研究主要分為理論研究和試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究又可分為室內(nèi)試驗(yàn)和室外試驗(yàn)。土體中微觀水分變化中關(guān)于水分遷移動(dòng)力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出過(guò)很多假說(shuō)：毛細(xì)管作用力；薄膜水中的遷移理論和吸附薄膜理論；含水量梯度；基質(zhì)吸力梯度，以及徐學(xué)祖曾提出的14種假說(shuō)。水力梯度曾認(rèn)為是遷移動(dòng)力，但考慮土的類型，滯后效應(yīng)，應(yīng)力歷史等因素，被人們廣泛接受的是Harlan提出的土水勢(shì)梯度[24]。目前關(guān)于水分遷移的基本理論主要分為兩種:一是水動(dòng)力學(xué)，認(rèn)為土體凍結(jié)過(guò)程中主要發(fā)生熱量交換，水分遷移，以及水分相變這三種物理過(guò)程，并且土體的水分場(chǎng)，溫度場(chǎng)相互作用；二是土水勢(shì)理論[25]，土水勢(shì)理論認(rèn)為遷移動(dòng)力由基質(zhì)勢(shì)、壓力勢(shì)、溶質(zhì)勢(shì)、重力勢(shì)、溫度勢(shì)構(gòu)成，利用Clausius-Clapeyron方程來(lái)求取土水勢(shì)，并且考慮了遷移過(guò)程中的熱量。關(guān)于微觀水分變化下開(kāi)展的試驗(yàn)研究主要有：孫建樂(lè)[26]在非飽和土水分遷移試驗(yàn)研究中認(rèn)為當(dāng)土體水分以不同形態(tài)存在時(shí)，遷移量不同。齊吉琳等[27]通過(guò)對(duì)反復(fù)凍融循環(huán)下土體的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：凍融循環(huán)下，黃土大中孔隙個(gè)數(shù)占孔隙總面積百分比增加，對(duì)松土具有強(qiáng)化作用，相應(yīng)的強(qiáng)度增加，而內(nèi)摩擦角影響不大。徐學(xué)祖[28,29]通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)研究封閉系統(tǒng)正凍土和已凍土的水分遷移規(guī)律，室外試驗(yàn)研究開(kāi)放系統(tǒng)的非飽和土正凍土水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

工程中土體對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的影響根本原因在于土體結(jié)構(gòu)的改變，而結(jié)構(gòu)的改變?cè)谀撤N程度上可以通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)的改變進(jìn)行解釋。因此宏觀力學(xué)性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)特征之間存在著一種關(guān)系。近年來(lái)隨著技術(shù)發(fā)展，采用掃描電子顯微鏡對(duì)路基土體微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。倪萬(wàn)魁等[7]認(rèn)為對(duì)土體微觀結(jié)構(gòu)的研究一般包括四個(gè)方面：顆粒形態(tài)、顆粒排列方式、孔隙性、顆粒的接觸關(guān)系，大量研究都是基于此定性的解釋一系列物理力學(xué)性質(zhì)。如高國(guó)瑞[30,31]、楊運(yùn)來(lái)[32]通過(guò)黃土微觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)黃土濕陷性進(jìn)行系統(tǒng)研究；BAI等[33]對(duì)黃土的微觀結(jié)構(gòu)研究，初步建立了黃土微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀力學(xué)性質(zhì)間的定量關(guān)系。谷憲明等[34]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)路基凍脹的影響區(qū)段集中粒徑2 μm～5 μm，5 μm～10 μm，而孔隙集中于小于1 μm和1 μm～2 μm之間，從而揭示了粘粒和孔隙為水分遷移的重要因素。當(dāng)有外界水源補(bǔ)給時(shí)，穆彥虎等[35]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土樣內(nèi)部冰晶的生長(zhǎng)及冷生結(jié)構(gòu)的形成導(dǎo)致土中孔隙體積增加，形成新的骨架結(jié)構(gòu)，大中孔隙個(gè)數(shù)及其所占孔隙總面積百分比顯著增加。張國(guó)棟等[36]通過(guò)對(duì)三峽水庫(kù)運(yùn)行后水位周期性漲落下邊坡土體開(kāi)展了研究，發(fā)現(xiàn)土體的物理結(jié)構(gòu)破壞，土體由致密有序的斑狀塊狀結(jié)構(gòu)最終變成雜亂的絮凝狀結(jié)構(gòu)。以上土體微觀結(jié)構(gòu)的變化會(huì)導(dǎo)致宏觀力學(xué)特性的改變，進(jìn)而對(duì)土體應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)產(chǎn)生影響。

3 目前存在問(wèn)題與不足

3.1 水分遷移動(dòng)力研究仍需探索

凍土中水分遷移動(dòng)力的研究隨著時(shí)代的發(fā)展而不同，學(xué)者提出的毛細(xì)理論、薄膜水遷移理論、結(jié)晶力理論從物質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面解釋，但由于凍土的復(fù)雜性以及凍土物理參數(shù)的動(dòng)態(tài)性，上述假說(shuō)只能從一定方面去解釋水分遷移現(xiàn)象，因此對(duì)于水分遷移動(dòng)力的研究還需探索，這對(duì)于凍土水熱力耦合問(wèn)題很有必要。

3.2 水、熱、力耦合模型缺乏實(shí)用性

土體凍融過(guò)程中，溫度水分應(yīng)力場(chǎng)三場(chǎng)的相互作用是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，土體凍融過(guò)程中未凍水會(huì)向凍結(jié)鋒面遷移，同時(shí)產(chǎn)生大量的相變潛熱，影響土體的物性參數(shù)，進(jìn)而影響土體的溫度場(chǎng)，而溫度的變化又會(huì)引起水分特征參數(shù)變化，進(jìn)而引起應(yīng)力場(chǎng)的變化，但進(jìn)行三場(chǎng)耦模型中普遍缺乏應(yīng)力場(chǎng)對(duì)其溫度場(chǎng)或水分場(chǎng)或其二者的聯(lián)合作用效果，使得耦合模型一定程度上并不能反映真實(shí)情況，加之目前的耦合模型基本上都是在水熱邊界和應(yīng)力邊界條件下熱質(zhì)遷移方程與力學(xué)方程的結(jié)合，因此力學(xué)參數(shù)的選取與土體物性參數(shù)的作用對(duì)結(jié)果至關(guān)重要，否則失去實(shí)際指導(dǎo)意義[37]。所以對(duì)于應(yīng)力場(chǎng)對(duì)溫度水分場(chǎng)的研究以及邊界條件和參數(shù)的選取需進(jìn)一步探討。

3.3 加強(qiáng)土水特征曲線擬合研究

Mc Queen等[38]提出了一個(gè)包含三個(gè)區(qū)段的土水特征曲線一般特征概念模型，這種模型的優(yōu)點(diǎn)在于即使缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，仍可利用模型獲得所需土樣的土水特征。所以加強(qiáng)土水特征曲線模型的擬合，在一定程度上可以更好探究土體凍融特征。